JP7624374B2 - Stage device and charged particle beam device equipped with stage device - Google Patents
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Description
本発明は、ステージ装置及びステージ装置を備える荷電粒子線装置に関する。 The present invention relates to a stage device and a charged particle beam device equipped with a stage device.
半導体関連の分野において、半導体ウェハ等の試料を移動させ、正確に位置決めするためのステージ装置が知られている。また、電子線等の荷電粒子線を扱う装置においては、半導体ウェハ等の試料を高真空の環境で扱う必要があり、ステージ装置も高真空の環境下で動作させることになる。 In the semiconductor-related field, stage devices are known for moving and accurately positioning samples such as semiconductor wafers. In addition, in devices that handle charged particle beams such as electron beams, samples such as semiconductor wafers must be handled in a high vacuum environment, and the stage devices also operate in a high vacuum environment.
ステージ装置の構造は、ガイドレールに沿った方向のみの移動に制限され、機構的に他方向への移動が禁止されるガイドレール型ステージと、ベース部分から浮上し、ベース部分とは非接触の状態で制御によって移動する浮上型ステージと、に分類される。ガイドレール型ステージにおいて、平面的な移動を実現するためには、上下二段のステージ構成として、上段ステージが下段ステージの移動方向と直交する方向に移動するようにすれば良い。一方、浮上型ステージにおいては、一方向にのみに大きな可動範囲を持ち、他の方向に対しては可動範囲が狭い一軸動作型と、平面的に広く移動可能な平面動作型と、がある。また、一軸動作型の浮上型ステージとガイドレール型ステージとを組合せることにより、平面的に動作するステージを構成することも可能である。さらに、浮上型ステージの浮上機構としては、電磁気力を利用して浮上量を制御する磁気浮上型と、気体の圧力を利用して浮上量を制御するエアベアリング型とがある。 The structure of the stage device is classified into a guide rail type stage, which is limited to movement only along the guide rail and mechanically prohibited from moving in other directions, and a floating type stage, which floats from the base and moves under control without contacting the base. In order to realize planar movement in a guide rail type stage, a two-stage structure is used in which the upper stage moves in a direction perpendicular to the direction of movement of the lower stage. On the other hand, floating type stages include a single-axis operation type that has a large range of movement only in one direction and a narrow range of movement in other directions, and a planar operation type that can move widely in a plane. It is also possible to configure a stage that moves in a plane by combining a single-axis operation type floating type stage with a guide rail type stage. Furthermore, the floating mechanism of a floating type stage includes a magnetic floating type that uses electromagnetic force to control the amount of floating, and an air bearing type that uses gas pressure to control the amount of floating.
また、磁気浮上型のステージは、ステージに浮力を与える電磁石と一軸方向に推力を与えるリニアモータとを持つタイプと、浮上と推進の両方の機能を1つで兼ねることが可能なシャフトモータを持つタイプと、に分類される。両タイプは、共に非接触状態を保ってステージが移動可能である。非接触状態であることは、機構的な安定化メカニズムを得られないが、浮上型ステージの高度な制御により、ステージの高い位置精度を実現できる可能性がある。 Magnetically levitated stages are further classified into two types: one with an electromagnet that gives the stage buoyancy and a linear motor that gives thrust in one axis direction, and one with a shaft motor that can perform both levitation and propulsion functions in one. Both types allow the stage to move while maintaining a non-contact state. The non-contact state means that no mechanical stabilization mechanism can be obtained, but advanced control of the levitated stage may enable high positional accuracy of the stage.
浮上型ステージが真空の環境下に置かれると、ステージを駆動するモータの発熱を固体の熱伝導で逃がすことができないため、冷媒を用いた放熱手段が必要となる。例えば、特許文献1には、ウェハを移動させる微動ステージ内部の駆動部を冷媒により冷却する技術が開示されている。また、特許文献2には、シャフト型モータを用いてウェハが載置される基板テーブルを移動させるステージ装置において、モータのコイルを冷媒により冷却する技術が開示されている。さらに、特許文献3には、ウェハが載置されるウェハステージを移動させるリニアモータを冷却する冷却装置に関する技術が開示されている。
When a floating stage is placed in a vacuum environment, the heat generated by the motor that drives the stage cannot be dissipated by solid thermal conduction, so a heat dissipation means using a refrigerant is required. For example,
半導体ウェハの製造、測定、検査などの工程では、ウェハを正確に位置決めする必要がある。半導体ウェハを正確に位置決めするためには、ウェハを移動させるステージの位置を正確に把握する必要がある。ステージの位置を正確に計測する技術として、ステージにミラーバーを設置し、その反射面にレーザー光を当て、入射光と反射光の干渉を利用して距離計測を行うレーザー干渉計型の距離計測装置を用いる技術がある。近年のレーザー干渉計型の距離計測装置においては、ピコメートルオーダーの精度で距離計測を行うことが可能である。そのオーダーの精度で距離計測を行うことができれば、実用上、十分なウェハの位置精度が得られそうに思える。しかし、実際には、浮上型ステージにおいて、ウェハの位置精度を悪化させる様々な誤差要因が組み合わされるため、ウェハの十分な位置精度を確保するのが困難となる。 In the manufacturing, measurement, and inspection processes of semiconductor wafers, the wafer must be positioned accurately. In order to accurately position the semiconductor wafer, the position of the stage on which the wafer is moved must be accurately known. One technology for accurately measuring the position of the stage is to use a laser interferometer-type distance measurement device, which installs a mirror bar on the stage, shines laser light on its reflective surface, and uses the interference between the incident light and the reflected light to measure distance. Recent laser interferometer-type distance measurement devices are capable of measuring distance with an accuracy on the order of picometers. If distance measurements could be performed with an accuracy of that order, it would seem that sufficient wafer position accuracy could be obtained for practical purposes. However, in reality, in floating stages, various error factors that deteriorate the wafer position accuracy are combined, making it difficult to ensure sufficient wafer position accuracy.
そこで、本発明は、浮上型ステージにおいて、試料の十分な位置精度を確保する技術を提供する。 Therefore, the present invention provides a technology that ensures sufficient positional accuracy of the sample on a floating stage.
本発明のステージ装置は、第1方向に移動する第1ステージと、第1ステージから浮上し、少なくとも第1方向と直交する第2方向に移動する第2ステージと、第1ステージのテーブルを冷媒によって冷却する第1冷却部と、第1冷却部によって冷却された第1ステージのテーブルを基準にして、第2ステージの傾きを制御する制御装置と、を備える。 The stage device of the present invention includes a first stage that moves in a first direction, a second stage that rises from the first stage and moves in a second direction perpendicular to at least the first direction, a first cooling unit that cools the table of the first stage with a refrigerant, and a control device that controls the inclination of the second stage based on the table of the first stage cooled by the first cooling unit.
本発明によれば、浮上型ステージにおいて、試料の十分な位置精度を確保することが可能となる。 The present invention makes it possible to ensure sufficient positional accuracy of the sample on the floating stage.
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 The embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It goes without saying that in the following embodiments, the components (including element steps, etc.) are not necessarily essential unless specifically stated otherwise or considered to be obviously essential in principle.
<実施例1>
図1は、実施例1のステージ装置の全体構成を示した図である。図2は、実施例1のステージ装置の断面図である。実施例1のステージ装置100は、載置された試料(例えば、半導体ウェハ)をX軸方向及びY軸方向に移動させる装置である。ステージ装置100は、X軸方向に移動する上段ステージ10と、Y軸方向に移動する下段ステージ20と、上段ステージ10及び下段ステージ20を冷却する冷却水を供給する冷却水配管30と、制御装置50(図3参照)と、を備える。上段ステージ10は、下段ステージ20との間の磁力によって下段ステージ20から浮上し、少なくともY軸方向と直交するX軸方向に移動する。
Example 1
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a stage device of the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the stage device of the first embodiment. The
(上段ステージ10)
上段ステージ10は、Xテーブル1を中心として構成される。上段ステージ10は、下段ステージ20のYテーブル2から浮上し、下段ステージ20に対して相対的にX軸方向に移動する。上段ステージ10は、主として、X軸方向に移動するが、その移動方向は、X軸方向に対して誤差程度のずれを含む。なお、上段ステージ10は、X軸方向だけでなく、平面的に移動しても良い。上段ステージ10には、上段ステージ10をYテーブル2から浮上させる機構、上段ステージ10をX軸方向に移動させる機構、上段ステージ10をY軸方向に移動させる機構等、様々な機構が取り付けられる。これら様々な機構は、Xテーブル1の内部に設けられている。これら様々な機構が熱源となり、Xテーブル1に熱伝導する。
(Upper stage 10)
The
Xテーブル1上には、X座標を計測するためのミラーバーであるXミラー3と、Y座標を計測するためのミラーバーであるYミラー4と、が固定されている。Xミラー3は、X軸に垂直な反射面を有し、図示しないレーザー干渉計型の距離計測装置から照射されたレーザー光を反射する。また、Yミラー4は、Y軸に垂直な反射面を有し、図示しないレーザー干渉計型の距離計測装置から照射されたレーザー光を反射する。これにより、Xミラー3の反射面のX座標及びYミラー4の反射面のY座標を計測することが可能となる。反射面のX座標及びY座標を計測することによって、Xミラー3及びYミラー4が固定されているXテーブル1のXY座標やXテーブル1に載置される試料のXY座標が算出される。
On the X table 1, the X mirror 3, which is a mirror bar for measuring the X coordinate, and the
(下段ステージ20)
下段ステージ20は、Yテーブル2を中心として構成される。下段ステージ20は、Y軸方向に移動する。下段ステージ20は、主として、Y軸方向に移動するが、その移動方向は、Y軸方向に対して誤差程度のずれを含む。なお、下段ステージ20は、Y軸方向だけでなく、平面的に移動しても良い。下段ステージ20は、Y軸方向に沿って配置される2本のガイドレール5上をY軸方向に移動する。下段ステージ20は、2本のガイドレール5によって、Y軸方向以外の方向に移動できないように拘束されている。実施例1の下段ステージ20は、ガイドレール型であったが、浮上型ステージであっても良い。下段ステージ20は、上段ステージ10をYテーブル2から浮上させる機構、下段ステージ20をY軸方向に移動させる機構等、様々な機構を有している。これら様々な機構は、Yテーブル2の内部に設けられている。これら様々な機構が熱源となり、Yテーブル2に熱伝導する。
(Lower stage 20)
The
(冷却水配管30)
ステージ装置100は、半導体ウェハ等の試料の製造、測定又は検査等を行う試料室内で使用される場合がある。また、電子線等の荷電粒子線を扱う装置においては、半導体ウェハ等の試料を高真空の環境で扱う必要があり、ステージ装置100も高真空の環境下で動作する。上段ステージ10や下段ステージ20を移動させる機構の発熱による誤作動や熱膨張等を抑制するために、上段ステージ10や下段ステージ20を冷却する必要がある。実施例1では、ステージ装置100は、上段ステージ10や下段ステージ20を冷却するために、上段ステージ10及び下段ステージ20に冷媒を供給する冷却水配管30を備える。実施例1では、冷媒として、冷却水を使用する。ステージ装置100の冷却方法としては、水冷、空冷、及び、ガス冷などを採用することが可能である。
(Cooling water piping 30)
The
図示しない恒温水槽から供給された冷却水は、冷却水配管30を介して上段ステージ10及び下段ステージ20の両方に供給される。冷却水配管30は、継手31、往き配管32、渡り配管33、戻り配管34、及び、継手35を有する。恒温水槽は、継手31に接続される往き配管32に冷却水を供給する。往き配管32は、上段ステージ10のXテーブル1の内部に設けられた熱交換器17(図2参照)に接続される。往き配管32は、継手31からY軸方向に沿って配置され、U字状にターンした後、Y軸方向に沿って配置される。Y軸方向に沿って配置される往き配管32は、下段ステージ20に設けられたサポート21に支持される。このように、往き配管32をU字状にターンさせることによって、下段ステージ20のY軸方向の移動に追従して、U字状にターンしている箇所が変位する。このため、冷却水配管30には、樹脂チューブのように柔軟に曲げることが可能な材料が用いられる。
Cooling water supplied from a constant temperature water tank (not shown) is supplied to both the
サポート21を過ぎた往き配管32は、X軸方向に沿って配置され、U字状にターンした後、X軸方向に沿って配置される。X軸方向に沿って配置される往き配管32は、上段ステージ10に設けられたサポート11に支持される。このように、往き配管32をU字状にターンさせることによって、上段ステージ10のX軸方向の移動に追従して、U字状にターンしている箇所が変位する。サポート11を過ぎた往き配管32は、Xテーブル1に固定された継手12に接続される。これにより、恒温水槽から供給された冷却水は、継手31、往き配管32、及び、継手12を介して、Xテーブル1の熱交換器17に供給される。その結果、冷却水が通過する熱交換器17の表面に接触するXテーブル1が冷却される。
The
Xテーブル1の冷却に使用された冷却水は、Xテーブル1に固定された継手13から渡り配管33を介して、Yテーブル2の熱交換器27に供給される。渡り配管33は、サポート11に支持される。サポート11に支持された渡り配管33は、X軸方向に沿って配置され、U字状にターンした後、X軸方向に沿って配置される。そして、渡り配管33は、Yテーブル2に固定された継手22に接続される。これにより、Xテーブル1の冷却に使用された冷却水は、継手13、渡り配管33、及び、継手22を介して、Yテーブル2の熱交換器27に供給される。その結果、冷却水が通過する熱交換器27の表面に接触するYテーブル2が冷却される。
The cooling water used to cool the X table 1 is supplied to the
Yテーブル2の冷却に使用された冷却水は、Yテーブル2に固定された継手23から戻り配管34を介して、恒温水槽に戻る。戻り配管34は、サポート21に支持される。サポート21に支持された戻り配管34は、Y軸方向に沿って配置され、U字状にターンした後、Y軸方向に沿って配置される。そして、戻り配管34は、恒温水槽の継手35に接続される。恒温水槽で冷却された冷却水が、再び、継手31に供給される。
The cooling water used to cool the Y table 2 returns to the constant temperature water tank from the joint 23 fixed to the Y table 2 via the
往き配管32及び渡り配管33は、上段ステージ10のY軸方向に対して垂直な面16に接続される。また、渡り配管33及び戻り配管34は、下段ステージ20のY軸方向に対して垂直な面28に接続される。往き配管32及び渡り配管33が接続される上段ステージ10の垂直な面16及び渡り配管33及び戻り配管34が接続される下段ステージ20の垂直な面28は、同じサイドの面である。なお、往き配管32及び渡り配管33が接続される上段ステージ10の垂直な面16及び渡り配管33及び戻り配管34が接続される下段ステージ20の垂直な面28は、異なるサイドの面であっても良い。例えば、往き配管32及び渡り配管33が、上段ステージ10のX軸方向に対して垂直な面18に接続され、且つ、渡り配管33及び戻り配管34が、下段ステージ20のY軸方向に対して垂直な面28に接続されるように構成しても良い。
The
(上段ステージ10の傾斜角)
制御装置50は、上段ステージ10の傾斜角を計測し、上段ステージ10が水平になるように制御する。Yテーブル2は、Y軸方向に垂直な垂直面24を有し、その垂直面24にリニアスケール25(図3参照)が取り付けられている。また、Xテーブル1は、Y軸方向に垂直な垂直面14を有し、その垂直面14にリニアスケール25を読み取るセンサ15(図3参照)が取り付けられている。垂直面24と垂直面14とは、対向している。センサ15によってリニアスケール25が読み取られると、Yテーブル2に対するXテーブル1の高さを計測(Z変位計測)することが可能となる。リニアスケール25とは、例えば、レーザー光を反射するパターンが細かな格子で形成された板状のものであり、レーザー光を発して反射光を読み取るセンサ15とセットで使用されるものである。リニアスケール25に形成される反射パターンが2次元的なものであれば、リニアスケール25とセンサ15との相対位置がZ軸方向に変位した量だけでなく、X軸方向に変位した量も計測可能となる。さらに、1つのリニアスケールに対して2箇所のセンサで高さ計測を行うと、2点の高さの差からXテーブル1の傾斜角を求めることができる。すなわち、X軸方向に移動するXテーブル1のピッチング角を計測することが可能になる。この原理を利用して、リニアスケール25とセンサ15のセットをさらに2コ増やすと、ヨーイング角の計測とローリング角の計測とが可能になる。これらにより、簡便な構成でありながら、高精度な傾斜角計測を行うことが可能となる。
(Tilt angle of upper stage 10)
The
(熱交換器)
図2は、図1のS1-S2線に沿った断面図である。図2を参照して、Xテーブル1及びYテーブル2を冷却する構造を具体的に説明する。Xテーブル1は、アルミ合金で形成される。Xテーブル1は、その内部にステンレス配管で形成された熱交換器17を有する。この熱交換器17は、Xテーブル1を冷媒によって冷却する冷却部である。Xテーブル1に内蔵された熱交換器17は、冷媒(例えば、冷却水)が通過する配管の表面がXテーブル1に接触することによって、Xテーブル1を冷却する。また、熱交換器17を構成する配管は、1本の配管の曲げ加工で形成され、1本の配管が冷却水の出入口を有する。Xテーブル1には、上段ステージ10をYテーブル2から浮上させる機構、上段ステージ10をX軸方向に移動させる機構、上段ステージ10をY軸方向に移動させる機構等が取り付けられる。それらの機構が発熱源となり、Xテーブル1に熱伝導する。Xテーブル1は、アルミ合金で形成されているため、熱伝導に伴う温度勾配が小さくなり、温度上昇及び温度むらを小さくすることが可能になる。
(Heat exchanger)
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line S1-S2 in FIG. 1. With reference to FIG. 2, a structure for cooling the X-table 1 and the Y-table 2 will be specifically described. The X-table 1 is made of an aluminum alloy. The X-table 1 has a
同様に、Yテーブル2も、アルミ合金で形成される。Yテーブル2も、その内部にステンレス配管で形成した熱交換器27を有する。この熱交換器27は、Yテーブル2を冷媒によって冷却する冷却部である。Yテーブル2に内蔵された熱交換器27は、冷媒が通過する配管の表面がYテーブル2に接触することによって、Yテーブル2を冷却する。熱交換器27を構成する配管も、1本の配管の曲げ加工で形成され、1本の配管が冷却水の出入口を有する。Yテーブル2には、上段ステージ10をYテーブル2から浮上させる機構、下段ステージ20をY軸方向に移動させる機構等が取り付けられる。その機構が発熱源となり、Yテーブル2に熱伝導する。Yテーブル2もアルミ合金で形成されているため、熱伝導に伴う温度勾配が小さくなり、温度上昇及び温度むらを小さくすることが可能になる。
Similarly, the Y table 2 is also made of an aluminum alloy. The Y table 2 also has a
(ガイドレール5とスライドユニット26)
Yテーブル2を中心とする下段ステージ20は、2本のガイドレール5によって、Y軸方向以外の方向に移動できないように拘束されている。なお、ガイドレール5は、試料室40に固定されている。下段ステージ20は、下段ステージ20の四隅に配置されたスライドユニット26を有し、スライドユニット26がガイドレール5に接触する。スライドユニット26の内部には、転動体が配置され、この転動体がガイドレール5との接触を転がり接触にする。その結果、スライドユニット26とガイドレール5とは、低摩擦でありながら遊びのない接触構造を形成する。
(
The
Yテーブル2が温度上昇した場合、Yテーブル2のY軸方向の移動は拘束されていないので、Yテーブル2は、Y軸方向に自由に膨張する。一方、ガイドレール5によってY軸方向以外の方向の移動は拘束されているので、Yテーブル2は、Y軸方向以外の方向に膨張することができない。このため、温度上昇による膨張は、Yテーブル2が山型に湾曲することで吸収される。つまり、Yテーブル2が山型に湾曲すると、図2の右側では、Yテーブル2が右下がりになり、図2の左側では、Yテーブル2が左下がりになる。一方、Xテーブル1は、X座標のプラス側に移動したりマイナス側に移動したりする。そして、Xテーブル1が移動すると、移動先の場所で、Yテーブル2を基準にして、Xテーブル1の傾斜角が計測される。
When the temperature of the Y table 2 rises, the movement of the Y table 2 in the Y-axis direction is not restricted, so the Y table 2 expands freely in the Y-axis direction. On the other hand, the movement in directions other than the Y-axis direction is restricted by the
(制御装置50)
制御装置50は、ステージ駆動機構60を制御して、下段ステージ20をY軸方向に移動したり、上段ステージ10をY軸方向及びX軸方向に移動したり、上段ステージ10の傾きを変更したり、する。ステージ駆動機構60は、上段ステージ10をYテーブル2から浮上させる機構、上段ステージ10をX軸方向に移動させる機構、上段ステージ10をY軸方向に移動させる機構、及び、下段ステージ20をY軸方向に移動させる機構、を含む。実施例1の制御装置50は、Xテーブル1の傾斜角を計測し、計測した傾斜角に基づいてXテーブル1が水平になるようにXテーブル1の傾きを制御する。
(Control device 50)
The
制御装置50は、熱交換器27によって冷却される下段ステージ20のYテーブル2を基準にして、上段ステージ10の傾きを制御する。具体的には、制御装置50は、Yテーブル2に設けられた垂直面24を基準にして、複数個所で上段ステージ10の位置を計測し、その計測結果に基づいて上段ステージ10の傾きを制御する。
The
また、制御装置50は、Xミラー3及びYミラー4で反射したレーザー光に基づいて上段ステージ10のXテーブル1のXY座標を計測する。そして、制御装置50は、Xテーブル1のXY座標に基づいて、上段ステージ10及び下段ステージ20の移動を制御して、上段ステージ10に設置される試料を所望の位置まで移動させる。
The
次に、図3を参照して、制御装置50のハードウェア構成を説明する。制御装置50は、プロセッサ51と、通信インターフェース52(以下、インターフェースをI/Fと略記する)と、主記憶装置53と、補助記憶装置54と、入出力I/F55と、上記した各モジュールを通信可能に接続するバス56と、を有する。
Next, the hardware configuration of the
プロセッサ51は、ステージ装置100の各部の動作の制御を行う中央処理演算装置である。プロセッサ51は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等である。プロセッサ51は、補助記憶装置54に記憶されたプログラムを主記憶装置53の作業領域に実行可能に展開する。主記憶装置53は、プロセッサ51が実行するプログラム、当該プロセッサが処理するデータ等を記憶する。主記憶装置53は、フラッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等である。補助記憶装置54は、各種のプログラムおよび各種のデータを記憶する。補助記憶装置54は、例えば、OS(Operating System)、各種プログラム、各種テーブル等を記憶する。補助記憶装置54は、不揮発性半導体メモリ(フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM))を含むシリコンディスク、ソリッドステートドライブ装置、ハードディスク(HDD、Hard Disk Drive)装置等である。
The
通信I/F52は、ネットワークを介してステージ装置100を外部と通信可能に接続するためのインターフェースである。入出力I/F55には、入出力I/F55に接続されるセンサ15の計測結果や距離計測装置70の計測結果が入力される。距離計測装置70は、レーザー干渉計型の距離計測装置であって、Xミラー3及びYミラー4の反射面にレーザー光を照射する。プロセッサ51は、センサ15の計測結果に基づいて、Xテーブル1の傾斜角を算出し、算出したXテーブル1の傾斜角に基づいて、Xテーブル1が水平になるようにステージ駆動機構60を制御する。また、プロセッサ51は、距離計測装置70の計測結果に基づいて、Xテーブル1のXY座標及びXテーブル1に載置される試料のXY座標を計測する。また、入出力I/F55は、入出力I/F55に接続されるステージ駆動機構60に、駆動指示を出力する。ステージ駆動機構60は、制御装置50からの駆動指示に従って、下段ステージ20をY軸方向に移動したり、上段ステージ10をY軸方向及びX軸方向に移動したり、上段ステージ10の傾斜角を変更したり、する。
The communication I/
(実施例1の効果)
制御装置50は、熱交換器27によって冷却されたYテーブル2を基準にして、上段ステージ10の傾きを制御することによって、精度良く上段ステージ10を水平にすることができる。実施例1では、Yテーブル2のY軸方向以外の方向への移動がガイドレール5によって拘束されるため、Yテーブル2を冷却しないと、Yテーブル2が熱膨張し、山型に湾曲する。Xテーブル1の傾斜角の算出の基準となったYテーブル2の湾曲により、Yテーブル2を基準にして、Xテーブル1が水平になるように制御しても、実際には、Xテーブル1が水平にならない。そこで、実施例1では、Yテーブル2を冷却することによって、基準としたYテーブル2の湾曲を抑制し、精度良く、Xテーブル1を水平になるように制御することが可能となる。これにより、試料のXY座標となるXY平面と、上段ステージ10の水平とが精度良く平行に保つことが可能になる。上段ステージ10の位置座標を計測する平面と試料の位置座標の平面との高さが一致している場合、両者に多少の角度ずれがあっても、座標の誤差は小さくて済む。しかし、両者の高さにずれがあると、その高さずれと角度ずれの積に比例した分だけ座標誤差が生じる。実施例1では、上段ステージ10を精度良く水平にすることによって、角度ずれが小さくなり、上記の座標誤差が小さくなり、試料の位置決め精度が向上する。
(Effects of Example 1)
The
また、実施例1では、上段ステージ10のXテーブル1の冷却に使用された冷却水を、下段ステージ20のYテーブル2の冷却に使用することによって、共通の冷却水で2つのテーブルを冷却することができる。
In addition, in the first embodiment, the cooling water used to cool the X table 1 on the
また、実施例1では、上段ステージ10を磁力によって下段ステージ20から浮上させることによって、下段ステージ20の熱膨張による影響が上段ステージ10に直接伝わるのを防止することができる。
In addition, in Example 1, the
また、実施例1では、下段ステージ20のYテーブル2に設けられた垂直面24を基準にして、複数個所で上段ステージ10の位置を計測することによって、簡便な構成で上段ステージ10の傾きを算出することができる。また、実施例1では、垂直面24にリニアスケール25を取り付け、垂直面14にリニアスケール25を読み取るセンサ15を取り付けることによって、簡便な構成で上段ステージ10の傾きを算出することができる。
In addition, in Example 1, the tilt of the
また、実施例1では、往き配管32をY軸方向に沿って配置し、Uターンさせた後、Y軸方向に沿って配置する。そして、Yテーブル2のY軸方向への移動に伴ってUターンした箇所を変位させることによって、下段ステージ20が移動しても、Yテーブル2に冷媒を供給することが可能となる。同様に、往き配管32をX軸方向に沿って配置し、Uターンさせた後、X軸方向に沿って配置し、Xテーブル1のX軸方向への移動に伴ってUターンした箇所を変位させることによって、上段ステージ10が移動しても、Xテーブル1に冷媒を供給することが可能となる。
In addition, in Example 1, the
また、実施例1では、Xテーブル1のY軸方向に垂直な面16に往き配管32及び渡り配管33が接続され、且つ、Yテーブル2のY軸方向に垂直な面28に渡り配管33及び戻り配管34が接続される。このように、Xテーブル1及びYテーブル2の同じ側の垂直な面に配管を接続することができるので、配管の接続が容易になる。また、冷却水の循環に伴う振動を防止することを考慮して、配管の接続面を適宜選択しても良い。
In addition, in Example 1, the
また、実施例1では、Xテーブル1の内部に1本の配管を曲げ加工した熱交換器17を設け、Yテーブル2の内部に1本の配管を曲げ加工した熱交換器27を設けることによって、Xテーブル1及びYテーブル2を効率良く冷却することができる。
In addition, in the first embodiment, a
実施例1では、下段ステージ20がガイドレール型であったが、浮上型ステージであっても良い。下段ステージ20が浮上型ステージの場合、ガイドレール5による移動の拘束が無いので、それに伴う熱変形は起きない。しかし、ステージ装置100を構成する上で、種々の材料の部品が混在することによる熱変形が発生する場合がある。線膨張係数が異なる材料を接続した場合、温度上昇に伴う伸びが大きい方の部品が曲率半径の外側になり、伸びが小さい方の部品が曲率半径の内側になるような湾曲が生じる。よって、下段ステージ20が浮上型ステージであっても、基準としたYテーブル2の熱膨張を抑制することによって、精度良くXテーブル1を水平にすることができる。
In the first embodiment, the
実施例1では、Xテーブル1及びYテーブル2の両方を冷却するにあたり、一筆書きの冷却水配管30を構成したが、冷却水配管30を分岐させて、Xテーブル1及びYテーブル2の各々を冷却しても良い。分岐して各テーブルを冷却した冷却水は、合流配管に戻される。配管が合流する箇所では、流れの振動が起きやすい。実施例1の一筆書きの冷却水配管30の構成は、冷却水の流れによる振動を防止する効果がある。配管が振動する場合、その振動が上段ステージ10や下段ステージ20に伝わってしまうが、合流配管を無くすことによる振動防止は、Xテーブル1及びYテーブル2の振動防止につながる。
In the first embodiment, the cooling
また、上段ステージ10及び下段ステージ20のそれぞれに独立した冷却水配管30を設けることも可能である。しかし、上段ステージ10は、X軸方向に移動すると共に、下段ステージ20に追従してY軸方向にも移動する。このため、上段ステージ10の冷却水配管30は、下段ステージ20の移動に追従するためのU字状のターン、及び、上段ステージ10の移動に追従するためのU字状のターンを必要とする。また、下段ステージ20は、Y軸方向に移動するため、下段ステージ20の冷却水配管30は、下段ステージ20に追従するためのU字状のターンを必要とする。つまり、上段ステージ10及び下段ステージ20のそれぞれに独立した冷却水配管30を設けると、重複した冷却水配管30が必要となる。このため、一筆書きの冷却水配管30は、配管量を減らす効果がある。
It is also possible to provide independent
一筆書きの冷却水配管30では、Xテーブル1及びYテーブル2のうちの一方を冷却水で冷却すると、そこで受け取った熱量の分だけ冷却水は温度上昇し、もう一方の冷却効果が小さくなる。このため、一筆書きの冷却水配管30では、先に冷却水を供給する方の冷却効果が大きくなる。実施例1では、上段ステージ10に先に冷却水を供給することにより、Xテーブル1を効果的に冷却することができる。
In the uniaxial
<実施例2>
図4は、実施例2のステージ装置の断面図である。図4は、実施例2のステージ装置100をX軸に垂直な面で切断した断面図である。実施例1と同様の構成については、実施例1と同じ符号を付し、その説明を省略する。実施例2では、Yテーブル2を冷却するための構成として、熱交換器27をYテーブル2の内部に埋め込むのではなく、外付けのヒートシンク128を下段ステージ20に取り付ける。ヒートシンク128は、内部に冷媒を流すため流路129を有する。なお、実施例2のヒートシンク128は、冷媒を流さないヒートシンクでも良く、表面積が広くなるように複数のフィンを有していても良い。
Example 2
FIG. 4 is a cross-sectional view of the stage device of the second embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view of the
ヒートシンク128の内部にステンレス配管を埋め込み、それを流路129としても良いし、ヒートシンク128の母材に溝加工を行い、それに蓋をして流路129を形成しても良い。
Stainless steel piping may be embedded inside the
図4では、上段ステージ10の構成が実施例1より具体的に記載されている。上段ステージ10は、Xテーブル1と、実施例1で説明したXミラー3(図1参照)及びYミラー4と、トップテーブル6と、チャック7と、コイル8と、を有する。
In FIG. 4, the configuration of the
Xテーブル1には、Zモータのコイル8が取り付けられている。Zモータと対になるヨーク9は、Yテーブル2に設置される。Zモータは、上段ステージ10にZ方向の力(=浮上力)を与えるものであり、電流を流すコイル8と、磁性体で構成されるヨーク9と、を含む。Zモータは、可動範囲が少なくてよいため、ヨーク9は、永久磁石を用いて構成されたり、磁性を帯びていない鉄のような磁性体で構成されたりする。永久磁石を用いる場合は、コイル8と磁石のヨーク9との間で吸引力と反発力とを発生させることができる。しかし、磁性を帯びていない磁性体のヨーク9を用いる場合は、吸引力のみが発生する。このため、磁性を帯びていない磁性体のヨーク9を用いる場合は、ヨーク9を上側且つコイル8を下側に配置する。これにより、コイル8に加わる重力による下向きの力と、磁力の吸引力による上向きの力とのバランスを制御することによって、コイル8が所望の高さに浮上する。
The
コイル8は、Xテーブル1の四隅に配置される。そして、4つのコイル8は、制御装置50によって、独立に制御される。制御装置50は、上段ステージ10の浮上量、ピッチング角、及び、ローリング角を制御する。上段ステージ10は、X軸方向に大きく移動するため、移動するコイル8に対して静止しているヨーク9がどの位置でも同様の電磁力を出せる必要がある。ヨーク9が磁性体のみで構成し、図4の紙面奥行き方向に伸びた形状であれば、上段ステージ10がX軸方向に移動しても、コイル8とヨーク9の関係が同様でいられる。よって、コイル8は4つあるのに対し、ヨーク9は2つとする。つまり、1つのヨーク9に対して2つのコイル8を対応させる。Xテーブル1は、X軸方向の推力を与えるリニアモータや下段ステージ20のY軸方向の移動に追従するための機構を備えるが、図4では、その構成を省略する。
The
実施例2では、トップテーブル6にXミラー3及びYミラー4とチャック7とを設置する。チャック7は、半導体ウェハ等の試料80を搭載するためのものである。試料80の位置決めをするにあたり、試料80の位置を直接計測することは困難であるので、Xミラー3及びYミラー4の反射面の位置を計測して、試料80のXY座標を計測する。このため、Xミラー3及びYミラー4と試料80の位置関係が変化しないようにすることが重要である。このため、チャック7を熱変形しにくい材質で構成したり、Xミラー3及びYミラー4をトップテーブル6に設置したりする。トップテーブル6は、Xテーブル1と一体構造であるが、間に柱を置いてつないだ構造にすることで、Xテーブル1に生じる変形がXミラー3及びYミラー4の位置や角度に及ぼす影響を小さくする。なお、実施例2の上段ステージ10の構成は、実施例1の上段ステージ10にも適用可能である。
In the second embodiment, the X mirror 3, the
(実施例2の効果)
Yテーブル2には、下段ステージ20をY軸方向に移動させる機構等、様々な部品が取り付けられるため、下段ステージ20は、複雑な形状になる。この複雑な形状の下段ステージ20とは別体のヒートシンク128を用意することにより、下段ステージ20が複雑になるのを防止できる。また、下段ステージ20の製作が容易になり下段ステージ20の製作精度が高くなる。
(Effects of Example 2)
Since various parts, such as a mechanism for moving the
その他の効果は、実施例1と同様であるので、その説明を省略する。 Other effects are the same as in Example 1, so their explanation will be omitted.
<実施例3>
図5は、実施例3における荷電粒子線装置の構成図である。荷電粒子線装置200は、内部にステージ装置100を備える。荷電粒子線装置200の内部のステージ装置100は、実施例1や実施例2で説明したステージ装置100である。荷電粒子線装置200は、観察したい半導体ウェハ等の試料80に電子線を当てて、像を拡大する電子顕微鏡を含む。電子顕微鏡は、電子光学系鏡筒90と、ステージ装置100と、試料室40と、距離計測装置70と、を有する。
Example 3
5 is a configuration diagram of a charged particle beam device in Example 3. The charged
電子光学系鏡筒90は、荷電粒子源を有し、荷電粒子源から放出されるビームは、試料80に照射される。ビーム(電子線)を試料80に当てる際は、気体分子による散乱を避けるため、試料80は、真空の環境に置かれる。このため、試料室40は、真空チャンバの機能を有する。図5では、冷却水配管30を示していないが、図1で示した冷却水配管30が試料室40の中に設置される。ステージ装置100は、試料80を搭載するチャック7をX軸方向及びY軸方向に移動させる。図5は、X軸方向に垂直な面で切断した断面図であるため、Yミラー4の断面が図示されている。Yミラー4は、図中の右側の垂直面が反射面であり、距離計測装置70は、その反射面にレーザー光71を照射し、Yミラー4のY座標を計測する。この距離計測装置70は、レーザー干渉計型の距離計測装置である。この距離計測装置70は、試料室40に固定される。図5には、図示していないが、90°回転した位置に、Xミラー3と、Xミラー3の反射面にレーザー光を照射し、Xミラー3のX座標を計測する距離計測装置70と、が設けられる。Yミラー4のY座標及びXミラー3のX座標に基づいて、ステージ装置100に載置される試料80のXY座標が算出される。
The electron
電子光学系鏡筒90は、試料室40に固定されている。電子顕微鏡で試料を観察することは、高倍率での観察となるため、電子顕微鏡と試料80との距離を離すことはできない。このため、電子光学系鏡筒90と試料80との間の距離は小さい。一方、上段ステージ10上のXミラー3及びYミラー4は、上段ステージ10の動作に伴って電子光学系鏡筒90の真下にくることがある。電子光学系鏡筒90とXミラー3及びYミラー4との接触を防ぐため、Xミラー3及びYミラー4の最上部は、電子光学系鏡筒90の最下部より低くする必要がある。このため、Xミラー3及びYミラー4の最上部は、試料80の上面より大幅に高くすることは出来ない。Xミラー3及びYミラー4の反射面は、その垂直面の最上部まで使える訳ではなく、垂直性が担保されるのは、角になる稜線から少し離れた所までである。このため、レーザー干渉計型の距離計測装置70が照射するレーザー光71は、試料80の上面よりも低い位置にならざるを得ない。これにより、上段ステージ10の位置計測がなされるXY座標の平面の高さ(レーザー光71の高さ)は、試料80の上面より低くなる。ステージ装置100が位置決めしたいのは、試料80の上面における電子線が照射される位置であり、試料80の上面におけるXY座標である。
The electron
距離計測の原理の1つにアッベの原理があり、計測対象の2点の延長線上で距離計測を行うのに比べ、平行する線上で距離計測を行うと、誤差が大きくなるというものがある。試料80の上面に対し、高さがずれた平面で上段ステージ10のXY座標を計測することは、アッベの原理で示されている誤差が大きくなる条件と類似する。アッベの原理で示される誤差拡大の要因は、計測対象と実際に計測している箇所の軸とが完全な平行にはなっていないためと説明される。よって、両者が完全な平行に近付くと、計測誤差も小さくなる。この原理を利用すると、上段ステージ10を完全な水平に近付けることができれば、試料の位置決め精度が向上すると考えられる。
One of the principles of distance measurement is Abbe's principle, which states that errors are larger when distance measurement is performed on a parallel line compared to when distance measurement is performed on an extension line of two points on the measurement target. Measuring the XY coordinates of the
浮上している上段ステージ10を水平に保つためには、上段ステージ10の傾斜角を把握し、その傾斜角に基づいて上段ステージ10が水平になるように制御する必要がある。制御のためのアクチュエーターとしては、上段ステージ10の四隅に設置したZモータ(コイル8)を用いることができる。上段ステージ10の傾斜角の計測については、実施例1の説明の中で用いた手法を用いると、簡便で精度の良い計測を行う可能になる。これによって、上段ステージ10の傾斜角の計測精度が向上すると、上段ステージ10を水平に保つための制御の精度が上がり、試料の位置決め精度が向上する。
To keep the levitating
(実施例3の効果)
実施例3の荷電粒子線装置200の効果は、実施例1と同様であるので、その説明を省略する。
(Effects of Example 3)
The effects of the charged
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned examples, but includes various modified examples. The above-mentioned examples have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one example with the configuration of another example, and it is also possible to add the configuration of another example to the configuration of one example. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each example with other configurations.
実施例1では、Xテーブル1及びYテーブル2の両方を冷却したが、Yテーブル2のみを冷却しても良い。また、実施例1では、Xテーブル1、Yテーブル2の順に冷却したが、Yテーブル2、Xテーブル1の順に冷却しても良い。 In the first embodiment, both X table 1 and Y table 2 are cooled, but only Y table 2 may be cooled. Also, in the first embodiment, X table 1 and Y table 2 are cooled in that order, but Y table 2 and X table 1 may be cooled in that order.
実施例1~3の浮上する上段ステージ10は、上段ステージ10に浮力を与える電磁石と一軸方向に推力を与えるリニアモータとを持つタイプであっても良いし、浮上と推進の両方の機能を1つで兼ねるシャフトモータを持つタイプであっても良い。
The levitating
実施例1~3の上段ステージ10は、電磁気力を利用して浮上する磁気浮上型であったが、気体の圧力を利用して浮上するエアベアリング型であっても良い。
The
1:Xテーブル 2:Yテーブル 3:Xミラー 4:Yミラー 5:ガイドレール 6:トップテーブル 7:チャック 8:コイル 9:ヨーク 10:上段ステージ 11:サポート 12:継手 13:継手 14:垂直面 15:センサ 17:熱交換器 20:下段ステージ 21:サポート 22:継手 23:継手 24:垂直面 25:リニアスケール 26:スライドユニット 27:熱交換器 30:冷却水配管 31:継手 32:往き配管 33:渡り配管 34:戻り配管 35:継手 40:試料室 50:制御装置 51:プロセッサ 52:通信I/F 53:主記憶装置 54:補助記憶装置 55:入出力I/F 56:バス 60:ステージ駆動機構 70:距離計測装置 80:試料 90:電子光学系鏡筒 100:ステージ装置 128:ヒートシンク 129:流路 200:荷電粒子線装置 1: X table 2: Y table 3: X mirror 4: Y mirror 5: Guide rail 6: Top table 7: Chuck 8: Coil 9: Yoke 10: Upper stage 11: Support 12: Joint 13: Joint 14: Vertical surface 15: Sensor 17: Heat exchanger 20: Lower stage 21: Support 22: Joint 23: Joint 24: Vertical surface 25: Linear scale 26: Slide unit 27: Heat exchanger 30: Cooling water pipe 31: Joint 32: Forward pipe 33: Crossover pipe 34: Return pipe 35: Joint 40: Sample chamber 50: Control device 51: Processor 52: Communication I/F 53: Main memory device 54: Auxiliary memory device 55: Input/output I/F 56: Bus 60: Stage drive mechanism 70: Distance measurement device 80: Sample 90: Electron optical system barrel 100: Stage device 128: Heat sink 129: Flow path 200: Charged particle beam device
Claims (14)
前記第1ステージから浮上し、少なくとも前記第1方向と直交する第2方向に移動する第2ステージと、
前記第1ステージのテーブルを冷媒によって冷却する第1冷却部と、
前記第1冷却部によって冷却された前記第1ステージの前記テーブルを基準にして、前記第2ステージの傾きを制御する制御装置と、を備えることを特徴とするステージ装置。 a first stage moving in a first direction;
a second stage that floats above the first stage and moves in at least a second direction perpendicular to the first direction;
a first cooling unit that cools the table of the first stage by a refrigerant;
a control device that controls a tilt of the second stage based on the table of the first stage cooled by the first cooling unit.
前記第1ステージのテーブル及び前記第2ステージのテーブルの一方の冷却に使用された前記冷媒は、前記第1ステージのテーブル及び前記第2ステージのテーブルの他方の冷却にも使用される、ことを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。 A second cooling unit that cools the table of the second stage by a refrigerant is further provided,
2. The stage device of claim 1, wherein the refrigerant used to cool one of the first stage table and the second stage table is also used to cool the other of the first stage table and the second stage table.
前記第2冷却部に供給された冷媒を前記第2冷却部から前記第1冷却部に供給する第2の冷媒配管と、をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のステージ装置。 a first refrigerant pipe that supplies the refrigerant to the second cooling section;
4. The stage device according to claim 3, further comprising: a second coolant pipe that supplies the coolant supplied to the second cooling section from the second cooling section to the first cooling section.
前記垂直面及び前記対向面の他方に取り付けられ、前記リニアスケールを読み取るセンサと、をさらに備え、
前記制御装置は、前記センサの計測結果に基づいて、前記第2ステージの傾きを制御することを特徴とする請求項7に記載のステージ装置。 a linear scale attached to one of the vertical surface of the first stage and an opposing surface of the second stage facing the vertical surface;
a sensor attached to the other of the vertical surface and the opposing surface and configured to read the linear scale;
8. The stage apparatus according to claim 7, wherein the control device controls the tilt of the second stage based on the measurement result of the sensor.
前記ミラーバーで反射したレーザー光に基づいて前記第2ステージの位置座標を計測し、
前記制御装置は、前記位置座標に基づいて、前記第1ステージ又は前記第2ステージの位置を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。 a mirror bar disposed on the table of the second stage;
measuring a position coordinate of the second stage based on the laser light reflected by the mirror bar;
2. The stage apparatus according to claim 1, wherein the control device controls the position of the first stage or the second stage based on the position coordinates.
前記冷媒配管は、前記第1方向に沿って配置され、Uターンした後、前記第1方向に沿って配置され、前記第1ステージの前記第1方向への移動に伴って前記Uターンした箇所を変位させる、ことを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。 a refrigerant pipe that supplies the refrigerant to the first cooling section,
2. The stage device according to claim 1, wherein the refrigerant piping is arranged along the first direction, makes a U-turn, and then is arranged along the first direction, and the U-turn point is displaced as the first stage moves in the first direction.
前記冷媒配管は、前記第1ステージの前記第1方向に対して垂直な面に接続される、ことを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。 a refrigerant pipe that supplies the refrigerant to the first cooling section,
2. The stage device according to claim 1, wherein the coolant pipe is connected to a surface of the first stage that is perpendicular to the first direction.
前記荷電粒子源から放出されるビームが照射される試料を搭載するチャックと、
前記チャックを移動させる請求項1~13の何れか1項に記載のステージ装置と、
前記ステージ装置が設置される真空チャンバと、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 a charged particle source; and
a chuck for mounting a sample on which a beam emitted from the charged particle source is irradiated;
A stage device according to any one of claims 1 to 13, which moves the chuck;
and a vacuum chamber in which the stage device is installed.
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